Oper

1
Operációs rendszerek

• 2000-2001 / II. félév

2
Bevitel/Kivitel (I/O)
(B/K)

• Az I/O hardver alapjai
• Az I/O szoftver alapjai
• Holtpontok
• RAM lemezek
• Lemezek
• Órák
• Terminálok

3
1. Az I/O hardver alapjai

• sok I/O eszköz programozása kapcsolódik az eszköz
  fizikai muködéséhez

4
1.1. I/O eszközök

• blokkos eszközök
• az információt adott méretu blokkban tárolja,
  mindegyiket saját címmel
• az egyes blokkok írhatók és olvashatók az összes
  többi blokktól függetlenül
• pl. lemez
• karakteres eszközök
• vagy kibocsájtja vagy fogadja a karaktersorozatot
• nincs blokk szerkezet
• nem címezheto, nincs keresés
• pl. nyomtató, egér,...

5

• kivételek
• órák
• nem címezhetoek blokkonként
• nem generálnak, nem fogadnak karaktersorozatot
• csak jól meghatározott idointervallumonként
  megszakításokat hoznak létre
• memória leképezésu képernyok

6
1.2. Eszközvezérlok

• I/O egységek mechanikus elektromos összetevok
• maga az eszköz
  eszközvezérlo
• 
  (adapter)
• lemezvezérlo kapcsolódási felületek
• IDE (Integrated Drive Electronics)
• SCSI (Small Computer System Interface)

7
Kapcsolások I

• kisebb szamítógépek esetén a CPU és a vezérlok
  közötti kapcsolat megvalósítása egysínu (busz)

8
Kapcsolások II

• nagy szamítógépek esetén
• több sínnel
• speciális I/O processzorokkal (I/O
  csatornák)melyek átveszik a központi CPU-tól az
  átvitellel kapcsolatos feladatokat

9
CPU-val történo kapcsolat

• néhány regiszterrel
• memóriába leképezett I/O ezek a regiszterek
  részét képezik a szokásos memória címzésu
  helyeknek
• speciális helyek minden vezérlo ennek a
  területnek egy bizonyos részét foglalja le

10
IRQ

• I/O kapuknál a regisztereinek olvasása/írása
  befejezésével a vezérlo megszakítással jelez a
  CPU felé
• megszakítás elektromos jelenség
• hardver megszakítás kérés (Interrupt ReQuest)
  egy bemenet a megszakítást vezérlo lapka számára

11
PC-n futó MS-DOS

• I/O vezérlok I/O címek Hardver IRQ
  Megszakítási
• 
  vektor
• Óra 040-043 0
  8
• Billentyuzet 060-063 1
  9
• Merevlemez 1F0-1F7 14
  118
• Másodlagos RS232 2F8-2FF 3
  11
• Nyomtató 378-37F 7
  15
• Hajlékonylemez 3F0-3F7 6
  14
• Elsodleges RS232 3F8-3FF 4 12

12
1.3. Közvetlen memóriaelérés (DMA)

• DMA (Direct Memory Access)
• Lemezes olvasás DMA nélkül
• a vezérlo beolvassa a meghajtóból a blokkot a
  saját belso pufferébe
• kiszámolja a hibajavító kódot
• megszakítást idéz elo
• amikor az op. rendszer beindítja a futtatást, a
  lemez egy blokkját a vezérlo pufferébol olvassa be

13
Lemezes olvasás DMA-val

• a vezérlo beolvassa a meghajtóból a blokkot a
  saját belso pufferébe
• kiszámolja a hibajavító kódot
• átmásolja az elso bájtot vagy szót a fotárba arra
  a címre, amit a DMA memóriacíme kijelöl
• megnöveli a DMA címet és csökkenti a számláló
  értékét a mozgatott bájtok számával
• megszakítást idéz elo
• amikor az OS beindítja a futtatást, nem kell a
  blokkot a memóriába másolni, mert az már ott van

14
Lemezes olvasás DMA-val

• nem minden számítógép alkalmaz DMA-t

15
Miért van szükség belso pufferra?

• ha a lemezes adatátvitel elkezdodött, a bitek
  állandó átviteli sebességgel jönnek
• ha a vezérlo az adatot közvetlenül a memóriába
  próbálná írni, akkor a sínt kellene használnia
• ha a sín épp foglalt a vezérlonek várakoznia
  kellene
• ha azelott érkezik a lemezrol a következo szó,
  hogy a vezérlo az elozot továbbadta, akkor a
  vezérlonek avalahol tárolni kell azt.
• de a hely korlátozott ezért sok az adminisztráció

16
Közéillesztés (interleaving)

• blokkok átugrása, mialatt a vezérlo idohöz jut,
  hogy átmozgasson adatot a memóriába

nincs közéillesztés
egyetlen közéillesztés
dupla közéillesztés
17
2. Az I/O szoftver alapelvei

• Elvárások
• a szoftver rétegek sorozatából épüljön fel
• a hardver sajátosságait az alacsonyabb szintek
  rejtsék el a magasabb szintek elol
• standard kapcsolódási felület a felhasználó felé

18
2.1. Az I/O szoftver célja

• eszközfüggetlenség
• sort lt input gt output
• egységes névhasználat
• hibakezelés amennyire csak lehet a hardverhez
  közeli szinten kell kezelni
• átviteli módszerek elrejtése a szinkron
  (blokkolás) és aszinkron átvitel egységes
  kezelése
• megosztott/monopol eszközök használata

19
Az I/O szoftver rétegei

• 1. Megszakításkezelok (alsó szint)
• 2. Eszközmeghajtók
• 3. Eszközfüggetlen operációs rendszer szoftver
• 4. Felhasználói szintu szoftver (felso szint)

20
2.2. Megszakításkezelok

• A megszakítások az élet örömtelen dolgai.
• minden I/O muveletet elkezdett processzus
  megszakad, amíg az I/O végbemegy, és egy
  megszakítás megjelenik
• megszakítás esetén a megszakítás eljárásnak meg
  kell szüntetnie annak a processzusnak a
  blokkoltságát, amely elindította

21
2.3. Eszközmeghajtók

• Az op. rendszer egyetlen olyan része, amely
  tudja
• hány regisztere van a vezérlonek
• azokat mire használja
• tud a szektorokról, pályákról, cilinderekrol
• Feladata az eszközfüggetlen szoftvertol érkezo
• kérések fogadása és annak biztosítása, hogy a
  kérés
• teljesítve legyen.
• blokkolások, hibakezelés

22
2.4. Eszközfüggetlen I/O szoftver

• Feladata
• azon I/O tevékenységek végrehajtása, amelyek
  minden eszköznél közösek
• szabványos kapcsolódási felület biztosítása a
  felhasználó szintu szoftver részére

23

• Az eszközfüggetlen I/O szoftver tevékenységei
• egységes kapcsolódási felület a megjahjtóknak
• eszközök megnevezése
• eszközök védelme
• eszközfüggetlen blokkméret biztosítása
• pufferezés
• tárolóhely lefoglalása blokkos eszközökön
• monopol módú eszközök lefoglalása és elengedése
• hibaüzenet

24
2.5. A felhasználó helyu I/O szoftver

• nem minden I/O szoftver fut az op. rendszerben
• háttértárolás (spooling) a monopol használatú
  eszközök számára
• nyomtatáskor démon, háttérkönyvtár

25
(No Transcript)
26
3. Holtpontok

• holtpont elofordulhat a hardver és a szoftver
  eroforrásoknál egyaránt

27
3.1. Eroforrások

• sok olyan eroforrás létezik, amelyet egy idoben
  csak egy processzus használhat
• léteznek megszakítható és megszakíthatattlan
  eroforrások
• holtpont megszakíthatattlan eroforrások esetén
• a holtpont elofordulhat szoftver és hardver
  eroforrásokkal kapcsolatban is

28

• Egy eroforrás használatával kapcsolatos
• tevékenységek
• 1. az eroforrás kérése
• 2. az eroforrás használata
• 3. az eroforrás elengedése

29
3.2. A holtpont alapelvei

• Egy processzusokból álló halmaz holtpontban
• van, ha mindegyik halmazbéli processzus
• olyan eseményre várakozik, amit csak egy
• másik halmazbéli processzus okozhat.

30
A holtpont feltételei

• Coffman et. al. (1971)
• 4 feltétel szükséges a holtponthoz
• 1. Kölcsönös kizárás feltétel.
• Minden egyes eroforrás vagy hozzá van
  rendelve pontosan egy
• processzushoz, vagy szabad.
• 2. Birtoklás és várakozás feltétel.
• A processzusok a már korábban kapott
  eroforrásokat
• birtokolhatják és kérhetnek új
  eroforrásokat.

31
A holtpont feltételei (folyt.)

• 3. Megszakíthatattlanság feltétel.
• Egy processzustól az elozoleg engedélyezett
  eroforrások nem vehetok el semmilyen módon. Az
  eroforrásokat az oket birtokló processzusoknak
  expliciten el kell engedni.
• 4. Ciklikus várakozás feltétel.
• Két vagy több processzus összetevodo ciklikus
  láncnak kell lennie, amelynek minden processzusa
  olyan eroforrásra várakozik, amit a láncban
  következo processzus fogva tart.

32
A holtpont modellje
processzus eroforrás
a. b.
c.

• Az eroforrás hozzárendelésének gráfjai
• a. az eroforrás birtoklása
• b. egy eroforrás kérése
• c. holtpont

33
(No Transcript)
34
Holtpontokkal kapcsolatos stratégiák
1. A probléma teljesen figyelmen kívül
hagyása. 2. Felismerés és helyreállítás. 3.
Dinamikus elkerülés az eroforrások óvatos
lefoglalásával. 4. Megelozés, strukturálisan
meghiúsítva a négy szükséges feltételt.
35
3.3. A strucc algoritmus

• fejünket dugjuk a homokba és tegyünk úgy, mintha
  egyáltalán semmi probléma nem lenne

36
3.4. Felismerés és helyreállítás

• a rendszer figyeli az eroforrásigényeket és
  elengedéseket
• ha az eroforrásgráfban kör keletkezett
• megszüntet egy abban levo processzust
• ha nem sikerült megszüntetni a holtpontot,
  megszüntet egy másik processzust is, stb.
• másik lehetoség ha egy processzus túl sokáig
  foglal egy eroforrást, akkor megszünteti

37
3.5. A holtpont megelozése

• olyan megszorításokat ró a processzusokra, hogy a
  holtpont eleve lehetetlen

Feltétel Megközelítés Kölcsönös kizárás
Háttértárolás Birtokol és várakozik Az összes
eroforrásigény elozetes kérése Ciklikus várakozás
Eroforrások számos elrendezése
38
3.6. A holtpont elkerülése

• Van-e olyan algoritmus, amellyel mindig
  elkerülheto a holtpont?
• Igen, de csak ha bizonyos információ elore ismert.

39
4. RAM lemezek

• A RAM lemezmeghajtóval
• a memória bármely része elérheto
• a tár egy részének lefoglalása - hagyományos
  lemezhasználat szimulálása
• nem állandó jellegu tárolás
• nagyon gyors elérést biztosít

40
4.1. Hardver és szoftver a RAM lemeznél

• Blokkos eszköz tároló két parancsal
• egy blokk olvasása
• egy blokk írása
• RAM lemez
• a blokk a fotár egy lefoglalt részében van
• azonnal elérheto (nincs keresés, forgatási késés)
• alkalmas olyan adatok és programok tárolására,
  amelyeket gyakran kell elérni

41
Különbségek

• RAM lemezeket támogató rendszer
• a gyökér mindig állandó helyen van
• a cserélheto filerendszer logikailag
  bekapcsolható az állományfileba gt egységes
  filerendszer, nem a felhasználó feladata az
  eszközök hollétének meghatározása
• pl. Linux, Unix

42

• RAM lemezeket nem támogató rendszer
• minden állomány helyét a felhasználó kell
  meghatározza
• explicit módon, pl. D\DIR\P1
• alapbeállítások segítségével (aktuális meghajtó,
  ...)
• 1-2 floppy még nem gond, de nagyobb rendszerek
  esetén nagyon sok eszköz lehetséges
• pl. DOS

43
A RAM lemez alapgondolata

• n db blokk
• blokk írása/olvasása ki kell számolni a helyét
• az átvitel assemblyben van megírva
• a RAM lemezmeghajtó támogatja a memória több
  területének RAM-lemezként való használatát

44
5. Lemezek

• lemez hardver
• lemez szoftver
• a merevlemez és a floppy kezelése közötti
  különbségek

45
5.1. Lemez hardver

• A lemez szerkezete
• minden lemez cilinderekbe szervezett
• minden cilinder pályavonalakból áll
• minden pályavonal szektorokra van osztva

46

• Lehetoségek
• 1 pályavonalon azonos számú szektor van
• a lemezt vezérlo hardver kezeli
• létezik olyan floppy egység, amelyik nagyobb
  sebességgel forgatja a lemezt, ha a fejek a
  kintebbi pályavonalaknál vannak
• IDE (Integrated Drive Electronics)
• a kintebbi pályákon több szektor van
• az op. rendszer számára minden cilinder azonos
  számú szektort tartalmaz
• a meghajtóba beépített elektronika

47
Átlapolt keresés

• egyszerre több meghajtón is lehet keresni
• 1 olvasás/írás több keresés
• több olvasás/írás több 1-nél több
  merevlemez-meghajtó esetén

48

• a szoftver által kezelt jellemzok különbözhetnek
  a fizikai jellemzoktol
• konvertálás a vezérlo elektronika feladata

49
5.2. Lemez szoftver

• A lemezes blokk olvasási ideje függ
• a keresési idotol (cilinder)
• fordulási késéstol (szektor)
• az adatmozgatés tényleges idejétol
• Hibakezelés
• Pályavonalankénti raktározás

50
A lemez olvasófejét ütemezo algoritmusok

• FCFS (First Come First Serve)
• SSF (Shortest Seek First)
• liftes algoritmus

51
FCFS

• a lemezmeghajtó a kéréseket egyesével fogadja és
  teljesíti
• nincs szükség/lehetoség optimalizálásra

52
keresési irány

• Pl.
• kérések 11, 1, 36, 34, 9, 12
• 111 cilindernyi elmozdulás

53
Optimalizálás

• Táblázat
• cilinderszámmal indexelve
• minden cilinderszámhoz létrehozza az adott
  kérések láncolt listáját
• a kérések teljesítésének optimalizálása

54
SSF

• a legközelebbi cilindert keresi meg elsoként
• probléma nagyon surun betöltött lemez esetén
  nehezen jut el a szélso cilinderekhez
• minimális válaszido lt--gt méltányosság

55
SSF

• Pl.
• 11, 1, 36, 34, 9, 12
• 61 cilindernyi elmozdulás

56
Liftes algoritmus

• folyamatosan ugyan abban az irányban mozog, amíg
  van abban az irányban el nem intézett kérés,
  utána irányt vált
• egy aktuális irányt jelzo bit UP, DOWN
• Pl. 60 cilindernyi elmozdulás

57

• a kérések tetszoleges halmaza esetén minden kérés
  teljesítésének felso korlátja
• 2 a cilinderek száma
• a válaszidoben kisebb a szórás, ha mindig azonos
  irányban mozgunk

58
Gyorsítótárazás (caching)

• egy szektor olvasására vonatkozó kérés tipikusan
  a szektornak és a pályavonalán levo, ezt követo
  bizonyos számú szektoroknak a vezérlotábla
  gyorsítótárába való áthelyezést eredményez
• a gyorsítótáblák használatát a vezérlo
  dinamikusan határozza meg
• általában a gyorsítótáblák két részre vannak
  osztva olvasás, írás
• több meghajtóegység esetén külön-külön táblázat a
  kérések számára

59
Hibakezelés

• RAM lemezek
• írhatók/olvashatók fizikai mozgás nélkül
• kevesebb a hibalehetoség
• Valódi lemezek esetén
• megno a hibalehetoségek száma

60
Hibalehetoségek

• programozási hiba
• a javítókód ideiglenes hibája
• a javítókód tartós hibája
• kezelési hiba (mechanikus)
• a vezérlo hibája

61
Pályavonalankénti raktározás

• cilinder fordulási
  átvitel
• keresés kérés
  ideje
• pályavonalankénti gyorstárba raktározás
• hátrány a CPU használat a DMA hardver helyett

62
5.3. Hajlékonylemezek kezelése

• általában csak tárolásra használjuk oket
• egyszerubb szerkezet - egyszerubb vezérlo
• cserélhetoség
• az IBM PC család minden floppy vezérloje egy
  szoftver meghajtóval muködik

63

• a meghajtó nem segíti a kérések újrarendezését
• DE
• vektorba gyujti a kéréseket mindaddig, amíg azok
  egymás uténi szektorokra vonatkoznak
• kisebb a kérések vektora
• OPTIONAL jelzo a kérésekre

64
A floppy-egység néhány sajátossága

• cserélheto
• nyitva volt-e az ajtó
• üres-e az egység
• többféle lemezformátum
• minden lehetséges lemezformátumra különbözo
  meghajtóegységet használ VAGY
• a lemezmeghajtó a meghajtóegységet elérve
  megvizsgálja az abban pillanatnyilag elérheto
  lemez formátumát

65

• motoros vezérlés
• motor ki/be kapcsolása
• felpörgetési ido
• egy kérés teljesítése után a motor még néhány
  másodpercig jár

66
6. Órák

• timer (idozíto)
• ezek tartják karban a pontos idot
• megakadályozzák hogy egy folyamat kisajátítsa a
  CPU-t
• az óra szoftvere általában eszközmeghajtó
  formában jelenik meg
• sem nem blokkos eszköz
• sem nem karakteres eszköz

67
6.1. Az óra hardvere

• Egyszerubb órák
• közvetlenül a 110/220 V-os feszültségu vezetékre
  kapcsolódnak
• megszakítást okoznak minden fázisváltásnál
• frekvencia 50-60 Hz

68

• második típusú órák

kristályoszcillátor
számláló regiszter
tároló regiszter
69
Programozható órák muködése I

• egyszeri módban (one shot mode)
• amikor az óra elindul, a tárolóregiszter tartalma
  a számlálóba másolódik
• a kristály minden impulzusának hatására a
  számláló tartalma 1-el csökken
• amikor a számláló értéke eléri a 0-t,
  megszakítást okoz
• az óra megáll mindaddig, amíg azt a szoftver újra
  nem indítja

70
Programozható órák muködése II

• ismétlodo módban (square-wave mode)
• minden órajelre csökken a számláló értéke
• amikor a számláló értéke eléri a 0-t,
  megszakítást okoz
• a tárolóregiszter tartalma a számlálóba másolódik
• az egesz folyamat ismétlodik a végtelenségig
• Periodikus megszakítások órajelek (clock ticks)

71

• A programozható órák frekvenciáját szoftverbol is
  lehet állítani
• A programozható órachipek 2-3 független órát is
  tartalmazhatnak

72
Pontos ido

• valós ideju számláló
• a pontos ido elfelejtésének megakadályozása
• elemmel muködtetett órák
• indításkor a felhasználó megkérdezése
• UCT (Universal Coordinated Time)
• 1970 január 1, déli 12 óra

73
6.2. Az óra szoftvere

• Az órameghajtó pontos teendoi
• a pontos ido karbantartása
• annak megakadályozása, hogy egy folyamat tovább
  fusson, mint ami számára engedélyezett
• a CPU használatának könyvelése (második idozíto
  indítása)
• a felhasználói programok által generált ALARM
  kezelése (táblázat az összes függo riasztás
  idopontjaival)

74
6.2. Az óra szoftvere

• Az órameghajtó pontos teendoi (folyt.)
• felügyeleti idozítok (watchdog timer) nyújtása a
  rendszer többi része felé (ezeket az op.
  rendszer igényli)
• futásido-elemzés (profiling), monitorozás és
  statisztikai adatok gyujtése

75
Pontos ido

• a pontos ido nyilvántartásának három módja

76
Több idozíto szimulációja egy órával
77
7. Terminálok

• minden számítógéphez csatlakozik egy vagy több
  terminál
• ezek lehetnek nagyon különbözoek
• a terminál meghajtó feladata a különbségek
  elrejtése

78
7.1. Terminál hardver

• termináltípusok

79
Tárcímleképezéses terminálok

• a video RAM-on keresztül illeszkednek a
  számítógéphez
• sorok száma általában 480-1024
• egy sorban a képpontok száma 640-1200 (pixel)

80
Monokróm képernyo

• 1 karakter
• 9 pixel széles
• 14 pixel magas
• 25 sor
• soronként 80 karakter
• 350720 pixel
• másodpercenkénti 45-70 frissítés

81
Képernyokezelés

• karakteres
• pl. 25 sor, 80 karakter/sor esetén 4000 bit RAM
  szükséges
• grafikus
• minden képpont külön vezérelheto
• színek ( RGB - vörös, zöld, kék)
• 8-24 bit
• pl. 7681024-es felbontás, 24-es színmélység
  esetén 2 Mb RAM szükséges

82
Billentyuzet

• elválasztható a képernyotol
• soros v. párhuzamos porton csatlakoztatható
• minden billentyu leütése/elengedése esetén
  megszakítás jön létre
• nem ASCII hanem scan kódokat küld
• a meghajtó feladata, hogy milyen karaktert
  ütöttünk le

83
RS-232-es terminálok

• billentyuzet kijelzo
• csatlakozás a számítógéphez soros porton
  keresztül
• 9-25 tus csatlakozó
• 1 karakter elküldése bitenként történik
• start bit, karakter kód, 1-2 stop bit
• karakter/soros átvitel konverziók UART
  (Universal Asynchronous Receiver Transmitters)

84

• Típusok
• papírra író (hardcopy) terminálok
• buta terminálok
• üvegre író (glass tty)
• intelligens terminálok
• megértenek bizonyos ESC szekvenciákat

85
X terminálok

• van CPU-juk
• Etherneten keresztül kommunikálnak a
  számítóképekkel

86

• általában X Window System fut rajtuk
• csak, is
• X server
• az X terminálon fut!
• összegyüjti az adatokat és továbbítja a
  kiszolgálógéphez
• ablakfigyelés
• X kliens
• a gazdaszámítógépen fut!

87
7.2. Terminál szoftver

• beolvasást kezelo szoftver
• kiírást kezelo szoftver

88
Beolvasást kezelo szoftver

• a billentyuzetmeghajtó feladata fogadni a a
  billentyuzetrol érkezo adatokat és továbbítani
  azokat a felhasználói programoknak
• 2 alapveto szemlélet
• karakterorientált (nyers) POSIX nem
  kanonikus mód
• sororientált (feldolgozott) POSIX kanonikus mód
• ASCII (American Standard Code for Information
  Interchange)
• más nyelvek számára billentyuzettérképek,
  kódlapok

89
Pufferelés

• két módja van
• a meghajtó egy közös pufferterületet tartalmaz
• a terminálhoz tartozó adatszerkezet tartalmazza a
  puffert, nincs közös pufferterület

90
Echozás

• a szoftver feladata a bemeno adatok megjelenítése
• problémák
• sor hosszúság 80 karakter
• tabulátorok kezelése
• soremelés

91
Kiírást kezelo szoftver

• pl. RS-232 esetén
• minden terminálhoz kapcsolódik egy kimeneti
  puffer
• az echozott adatok is a pufferbe másolódnak
• Problémák
• gördítés
• kurzorpozicionálás
• ESC szekvenciák kezelése